(57)【要約】【課題】  半導体ウェハ上にデバイスを形成するためのポリシリコンの研磨工程において、高いＣＭＰによる研磨速度を維持し、ポリシリコンと研磨により露出した窒化珪素、酸化膜との段差を小さく仕上げることが可能なポリシリコン用研磨材を提供する。【解決手段】半導体集積回路製造工程においてポリシリコンを主体とする膜を研磨する為の研磨材で、砥粒として酸化アルミニウム、及び水を含み、ｐＨが１０．５〜１１．５であることを特徴とするポリシリコン用研磨材。半導体集積回路製造工程においてポリシリコンを主体とする膜を研磨する為の研磨材で、砥粒として酸化アルミニウム、及び水を含み、過酸化水素、過ヨウ素酸塩、過塩素酸塩または過硫酸塩の１つ以上を含有し、ｐＨが３〜５．５であることを特徴とするポリシリコン用研磨材及びこれを用いた研磨方法。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体集積回路製造工程においてポリシリコンを主体とする膜を研磨する為の研磨材で、砥粒として酸化アルミニウム、及び水を含み、ｐＨが１０．５〜１１．５であることを特徴とするポリシリコン用研磨材。
【請求項２】
半導体集積回路製造工程においてポリシリコンを主体とする膜を研磨する為の研磨材で、砥粒として酸化アルミニウム、及び水を含み、ｐＨが３〜５．５であることを特徴とするポリシリコン用研磨材。
【請求項３】
酸化剤を含む請求項２記載のポリシリコン用研磨材。
【請求項４】
酸化剤が過酸化水素、過ヨウ素酸塩、過塩素酸塩、及び過流酸塩のいずれか１つ以上であることを特徴とする請求項２または３記載のポリシリコン用研磨材。
【請求項５】
酸化アルミニウムがα−アルミナである請求項１〜４のいずれかに記載のポリシリコン用研磨材。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のポリシリコン用研磨材を用いた研磨方法
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造工程におけるポリシリコン研磨工程に適したケミカル・メカニカル・プラナリゼーション（ＣＭＰ）用研磨材に関する。
【背景技術】
【０００２】
超大規模集積回路製造の分野において実装密度を高めるために種々の微細加工技術が研究開発されており、既にデザインルールは、サブハーフミクロンのオーダーになっている。
このような厳しい微細化の要求を満足するために開発されている技術の一つにＣＭＰ技術がある。
近年、ポリシリコンを用いたプラグ形成にあたり、基板上に成膜した余分なポリシリコンを除去平坦化するためにもこのＣＭＰ研磨が用いられるようになってきた。ポリシリコンの研磨では余分なポリシリコンを除いた後に、その下層に形成された窒化珪素膜や酸化膜などが表面に露出した時点でＣＭＰ研磨は終了する。一般的に、ポリシリコンに対して窒化珪素などがどれだけ研磨され易いかを表す指標として、研磨材によりポリシリコンが研磨される速度と、窒化珪素及び酸化膜の研磨される速度との比である選択的研磨速度比（以下、「選択比」という）が用いられる。通常、ポリシリコンの研磨速度が速く、窒化珪素及び酸化膜の研磨速度が遅い選択比の大きな研磨材が望ましいが、選択比が大きすぎると窒化珪素または酸化膜が露出した時点でポリシリコンの表面だけが高速で研磨され続ける為に、ここにディッシングと呼ばれるくぼみが形成されて平坦性を悪化させる。したがって、より高い平坦性を得る為には窒化珪素及び酸化膜の研磨速度も幾分必要であり、選択比も２〜２０程度が望ましい。
ポリシリコンも基本的に従来のコロイダルシリカを研磨粒子とする高ｐＨの研磨材で研磨することが可能である。しかしながら、この研磨材は、窒化珪素の研磨速度が十分ではない為に窒化珪素が表面に露出するような研磨を行う場合には先述のディッシングの現象が発生し、十分な平坦性を得ることができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
先述のように従来のコロイダルシリカを研磨粒子とする高ｐＨの研磨材には、窒化珪素の研磨速度が十分ではない為に窒化珪素が表面に露出するような研磨を行う場合には十分な平坦性を得ることができないなどの問題があった。
本発明は、ＣＭＰによるポリシリコンの高い研磨速度を維持し、なおかつ、窒化珪素など下層の膜と適当な選択性を発揮して高い平坦性を得ることのできる研磨材および研磨方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の研磨材は水と砥粒として酸化アルミニウムを含むことを特徴とする。酸化アルミニウムはα−アルミナ、またはα−アルミナと他のアルミナの混合砥粒であることが好ましい。砥粒には酸化アルミニウムに、シリカ、酸化セリウム、ジルコニア等の他の砥粒を混合して用いることも可能である。高ｐＨの場合には研磨材のｐＨは１０．５〜１１．５が好ましい。本発明の研磨材を酸性で用いる場合のｐＨは３〜５．５が好ましく、これに酸化剤を添加することができる。添加する酸化剤は過酸化水素、過ヨウ素塩、過塩素酸塩または過硫酸塩であることが好ましい。
本発明の研磨方法は上記のポリシリコン用研磨材を使用して半導体ウェハ表面に形成されたポリシリコンの研磨工程において、ポリシリコンの高い研磨速度を維持し、なおかつ、窒化珪素など下層の膜と適当な選択性を発揮して高い平坦性を得ることのできる研磨方法である。
前記砥粒は、前記研磨材中に０．１〜１０重量％含有されることが好ましい。前記砥粒の含有量を０．１重量％未満にすると、その効果を十分に達成することが困難になる。一方、前記砥粒の含有量が１０重量％を超えても、ポリシリコンの研磨速度が速くなりにくいため、前記砥粒のロスが大きい。より好ましい前記砥粒の含有量は、０．３〜５重量％である。
【発明の効果】
【０００５】
本発明のポリシリコン用研磨材は、水、アルミナ砥粒を含有し、ｐＨの調整と酸化剤の使用により十分なポリシリコンの研磨速度が得られる。同時に窒化珪素、ＢＰＳＧ等の酸化膜に対するポリシリコンの選択比の適切な値が得られるため、段差が小さく、平坦性を改善することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明における研磨材は半導体製造ＣＭＰ研磨工程に使用される。被研磨材料としてはポリシリコン、酸化シリコンあるいはＢＰＳＧそしてストッパとして使用される窒化珪素などの混在する材料であり、ポリシリコンとこれらの材料との研磨速度比を２〜５０程度に設定することにより、ＢＰＳＧおよび窒化珪素の間に段差を生じることなく研磨が可能になる。本発明のポリシリコン用研磨材の第一の形態は、水、砥粒としてのアルミナを必須成分とし、必要によりｐＨ調整剤を添加し、ｐＨを１０．５以上１１．５以下とする。
本発明のポリシリコン用研磨材の第一の形態においてｐＨを１０．５以上１１．５以下とするとポリシリコンの研磨速度が高速になり、好ましい。一方ｐＨを１０．５未満とすると、十分なポリシリコンの研磨速度が得られない。また、ｐＨが９〜１０ではアルミナの等電点付近となるため、凝集する傾向にあり、好ましくない。ｐＨが１１．５以上の場合にはポリシリコンの研磨速度が高速になるが窒化珪素の研磨速度が遅くなり、最適な選択比が得られず、段差を解消できない。
【０００７】
本発明のポリシリコン用研磨材の第二の形態は、水、砥粒としてのアルミナを必須成分とし、必要により酸化剤およびｐＨ調整剤を添加し、ｐＨを３以上、５．５以下とする。
本発明のポリシリコン用研磨材の第二の形態においてｐＨを３未満とするとポリシリコンの研磨速度が十分に得られず、ｐＨが５．５を超えるとポリシリコン膜の研磨速度が十分に得られず、かつ、ＢＰＳＧ膜の研磨速度が増大し、選択比が低下する。
【０００８】
本発明における砥粒の酸化アルミニウムはいずれでもよいが、硬度が大きく高い研磨速度が得られ、かつ微細粒子の製造技術が確立しており、微細粒子の入手が容易なα−アルミナが好ましい。α−アルミナの製造方法は水酸化アルミニウムの焼成による方法や、アルミニウムアルコキシドの加水分解により精製したベーマイトの焼成による方法が知られている。このα−アルミナ粒子に同じアルミナであるが準安定相であるγ−アルミナ、δ−アルミナなどの中間アルミナ、シリカ、ジルコニアなど他の砥粒を混合してもよい。
【０００９】
本発明のいずれの形態においても、砥粒の平均粒径は０．０５〜１．０μｍがスクラッチを少なくできるという点で好ましく、より好ましくは０．１〜０．４μｍとすることができる。平均粒径の測定は例えばＭａｌｖｅｒｎ社製Ｚｅｔａｓｉｚｅｒ  ３０００ＨＳを用いて、屈折率１．７７、吸収係数０．００  の条件で行い、Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎを求める。
【００１０】
本発明においてポリシリコンの研磨速度を向上させる為に酸化剤を使用する場合には、過酸化水素、過ヨウ素塩、過塩素酸塩または過硫酸塩が好ましい。その中でも基板を汚染する材料を含まないため後工程の洗浄が容易である過酸化水素が特に好ましい。
【００１１】
本発明における砥粒の配合量は全重量に対して０．３〜１０重量％であることが好ましく、０．３〜５重量％であることがより好ましい。砥粒の添加量が０．３重量％未満の場合は物理的な研削作用が小さいため研磨速度が小さく、１０％を超えると研磨速度は飽和し、それ以上加えても研磨速度の増加はわずかである。
【００１２】
本発明において酸化剤を配合する場合の配合量は全重量に対して、０．３〜  ５ｍｏｌ／ｋｇとすることが好ましく、１〜４ｍｏｌ／ｋｇとすることがより好ましい。配合量が１ｍｏｌ／ｋｇ未満ではポリシリコンの研磨速度が低く、５ｍｏｌ／ｋｇを超えるとポリシリコンの研磨面に荒れが生じる傾向がある。
【００１３】
本発明においてｐＨ調整を行う為に加える酸またはアルカリは、特に限定しないが、研磨剤として安定した特性を保つ為にはｐＨが経時的に変化せず、安定なものが好ましい。特に第二の発明におけるｐＨ３から５．５に保つ為には、安息香酸などの有機酸を使用するのが好ましい。
【実施例】
【００１４】
以下、実施例により本発明を説明する。本発明はこれらの実施例により制限されるものではない。
【００１５】
実施例１
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．３０μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液１００ｇに純水９００ｇを加えた後、濃度１０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液を加えてｐＨを１０．９に調整し、ポリシリコン用研磨材とした。得られたポリシリコン用研磨材の平均粒径  Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．３１μｍであった。
上記ポリシリコン膜用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、下記に示す評価基板および研磨条件でＣＭＰを行い、下記に示す評価を行った。
《評価基板》
基板１：Ｓｉ基板上に厚さ０．４μｍのポリシリコンを形成したブランケット基板。
基板２：Ｓｉ基板上に厚さ０．４μｍのＢＰＳＧを形成したブランケット基板。
基板３：Ｓｉ基板上に厚さ０．２μｍの窒化珪素を形成したブランケット基板。
《評価条件》
研磨装置：定盤寸法２５０ｍｍφ、ロータリータイプ
研磨パッド：ニッタアンドハース社製ＩＣ−１０００／Ｓｕｂａ４００  格子溝付き発泡二層パッド
研磨圧力：２５ｋＰａ
定盤回転数：１２０ｍｉｎ−１  （基板は定盤の回転力で自動的に回転）
研磨材流量：１５ｍｌ／ｍｉｎ
研磨時間：１ｍｉｎ
《評価項目および評価方法》
ＣＭＰによるポリシリコン研磨速度：基板１のＣＭＰ前後での膜厚差を光学式膜厚測定装置で求めた。
ＣＭＰによるＢＰＳＧ研磨速度：基板２のＣＭＰ前後での膜厚差を光学式膜厚測定装置で求めた。
ＣＭＰによる窒化珪素研磨速度：基板３のＣＭＰ前後での膜厚差を光学式膜厚測定装置で求めた。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は１８０ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧの研磨速度は４９ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は２５ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は３．７、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は７．２であった。
【００１６】
実施例２
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．３０μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液１００ｇに純水４００ｇを加えてポリシリコン用研磨材濃縮液とした。このポリシリコン用研磨材濃縮液５００ｇに濃度２０％の過酸化水素水５００ｇを加えてポリシリコン用研磨材とした。得られたポリシリコン用研磨材のｐＨは３．８、平均粒径Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．２８μｍであった。
上記ポリシリコン用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、実施例１に示したのと同じ研磨条件でＣＭＰを行った。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は１７０ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧの研磨速度は５０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は３０ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は３．４、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は５．８であった。
【００１７】
実施例３
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．３０μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液１００ｇに純水４００ｇを加えてポリシリコン用研磨材濃縮液とした。このポリシリコン用研磨材濃縮液４５０ｇに濃度２０％の過酸化水素水５０ｇを加えてポリシリコン用研磨材とした。得られたポリシリコン用研磨材のｐＨは４．３、平均粒径Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．２９μｍであった。上記ポリシリコン用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、実施例１に示したのと同じ研磨条件でＣＭＰを行った。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は１４０ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧ膜の研磨速度は４５ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は３４ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は３．１、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は４．１であった。
【００１８】
実施例４
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．３０μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液１００ｇに純水４００ｇを加えてポリシリコン用研磨材濃縮液とした。このポリシリコン用研磨材濃縮液１５０ｇに濃度５％の安息香酸水溶液を加え、ｐＨを４．３に調整した。さらに前記ｐＨ調整したポリシリコン用研磨材濃縮液に純水を合計２００ｇとなるように加えてポリシリコン用研磨材を作製した。得られたポリシリコン用研磨材のｐＨは４．５、平均粒径Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．３２μｍであった。
上記ポリシリコン用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、実施例１に示したのと同じ研磨条件でＣＭＰを行った。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は１１０ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧ膜の研磨速度は５０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は３４ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は２．２、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は３．７であった。また、安息香酸水溶液を用いてｐＨ調整したことにより、硝酸などの無機酸で調整したものと比較してｐＨが安定し、研磨特性も安定することが分かった。
【００１９】
比較例１
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．５５μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液１００ｇに純水９００ｇを加えた後、濃度１０ｗｔ％の水酸化カリウム水溶液を加えてｐＨを８．５に調整し、ポリシリコン用研磨材とした。得られたポリシリコン用研磨材の平均粒径Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．３４μｍであった。
上記ポリシリコン用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、実施例１に示したのと同じ研磨条件でＣＭＰを行った。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は８５ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧの研磨速度は１３０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は４８ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は０．６５、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は１．８であった。
【００２０】
比較例２
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．３０μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液４００ｇに濃度１０％の硝酸を加えてｐＨを２．０に調整した。前記ｐＨを調整したα−アルミナ懸濁液に純水を加えて全体で５００ｇとし、ポリシリコン用研磨材を作製した。得られたポリシリコン用研磨材の平均粒径Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．３０μｍ、ｐＨは２．３であった。上記ポリシリコン用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、実施例１に示したのと同じ研磨条件でＣＭＰを行った。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は４２ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧの研磨速度は４０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は１０ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は１．０、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は２であった。
【００２１】
比較例３
《ポリシリコン用研磨材の作製方法》
純度９９．９％のα−アルミナ粉末３５０ｇを純水６５０ｇ中に懸濁し、撹拌しながら超音波分散を１０分間施した後、２４時間沈降分級により粗大粒子を取り除き平均粒径０．３０μｍ、濃度１０ｗｔ％のα−アルミナ懸濁液を作製した。このα−アルミナ懸濁液６０ｇに純水２４０ｇを加え、さらに、濃度１０％の水酸化カリウムを加えてｐＨを１２．３に調整した。前記ｐＨ調整したα−アルミナ懸濁液に純水を加えたて全体で５００ｇのポリシリコン用研磨材とした。得られたポリシリコン用研磨材の平均粒径Ｚ  Ａｖｅｒａｇｅ  Ｍｅａｎは０．３０μｍ、ｐＨは１２．０であった。上記ポリシリコン用研磨材を定盤に貼り付けたパッドに滴下しながら、実施例１に示したのと同じ研磨条件でＣＭＰを行った。
評価の結果、ポリシリコンの研磨速度は３００ｎｍ／ｍｉｎ、ＢＰＳＧの研磨速度は１０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化珪素の研磨速度は１ｎｍ／ｍｉｎで、ポリシリコン／ＢＰＳＧの研磨速度比は３０、ポリシリコン／窒化珪素の研磨速度比は３００であった。
【００２２】
【表１】
2006344786.tif 000002